Цинк и его характеристики
Общая характеристика цинка
Главные природные соединения цинка, из которых его добывают, — минералы галмей ZnCO3 и цинковая обманка ZnS. Общее содержание цинка в земной коре составляет приблизительно 0,01% (масс.).
Цинк – голубовато-серебристый металл (рис. 1). При комнатной температуре он довольно хрупок, но при 100-150oС он хорошо гнется и прокатывается в листы. При нагревании выше 200oС цинк становится очень хрупким. На воздухе он покрывается тонким слоем оксида или основного карбоната, предохраняющим его от дальнейшего окисления. Вода почти не действует на цинк.
Рис. 1. Цинк. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса цинка
Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии цинк существует в виде одноатомных молекул Zn, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 65,38.
Изотопы цинка
Известно, что в природе хром может находиться в виде пяти стабильных изотопов 64Zn, 66Zn, 67Zn, 68Zn и 70Zn. Их массовые числа равны 64, 66, 67, 68 и 70 соответственно. Ядро атома изотопа цинка 64Zn содержит тридцать протонов и тридцать четыре нейтрона, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы цинка с массовыми числами от 54-х до 83-х, а также десять изомерных состояний ядер, среди которых наиболее долгоживущим изотопом является 65Zn с периодом полураспада равным 243,66 суток.
Ионы цинка
На внешнем энергетическом уровне атома цинка имеется два электрона, которые являются валентными:
1s22s22p63s23p63d104s2.
В результате химического взаимодействия цинк отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Zn0 -2e → Zn2+.
Молекула и атом цинка
В свободном состоянии цинк существует в виде одноатомных молекул Zn. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу цинка:
|
Энергия ионизации атома, эВ |
9,39 |
|
Относительная электроотрицательность |
1,65 |
|
Радиус атома, нм |
0,125 |
Сплавы цинка
Широкое промышленное значение имеют сплавы цинка с алюминием, медью и магнием. С медью цинк образует важную группу сплавов – латуни. Латуни содержат до 45% цинка. Различают простые и специальные латуни. В состав последних входят другие элементы, например железо, алюминий, олово, кремний.
Примеры решения задач
| Задание | Технический цинк массой 0,33 г обработали разбавленным раствором серной кислоты. Выделившийся водород занимает при нормальных условиях объем 112 мл. Рассчитайте массовую долю цинка в техническом металле. |
| Решение | Запишем уравнение реакции взаимодействия цинка с разбавленной серной кислотой:
Zn + H2SO4(dilute) = ZnSO4 + H2↑. Найдем количество моль выделившегося в ходе реакции водорода: n = V / Vm; n (H2) = V (H2) / Vm; n (H2) = 112×10-3 / 22,4 = 0,005 моль. Согласно уравнению реакции n (H2):n (Zn) = 1:1, т.е. n (H2) = n (Zn) =0,005 моль. Тогда, масса чистого цинка (без примесей) будет равна (молярная масса – 65 г/моль): m = n × M; mpure (Zn) = n (Zn) × M (Zn); mpure (Zn)= 0,005 × 65 = 0,325 г. Массовая доля цинка в техническом металле рассчитывается как: ω(Zn) = mpure (Zn)/ mtec(Zn) × 100%; ω(Zn) = 0,325/ 0,33 × 100%; ω(Zn) = 98,48%. |
| Ответ | Массовая доля цинка в техническом металле равна 98,48%. |
| Задание | Рассчитайте массу цинка, который нужно растворить в соляной кислоте, чтобы получить водород, необходимый для восстановления оксида меди (II) массой 20 г до металла. |
| Решение | Запишем уравнения реакций, которые протекают согласно условию задачи:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑ (1); H2 + CuO = Cu + H2O (2). Рассчитаем количество вещества оксида меди (II) (молярная масса – 80 г/моль): n = m / M; n (CuO) = m (CuO) / M (CuO); n (CuO) = 20 / 80 = 0,25 моль. Согласно уравнению (2) n (CuO):n (H2) = 1:1, т.е. n (CuO) = n (H2) =0,25 моль. Тогда, число моль цинка вступившего в реакцию взаимодействия с соляной кислотой будет равно 0,25 моль, поскольку n (Zn):n (H2) = 1:1, т.е. n (Zn) = n (H2). Масса цинка (молярная масса равна 65 г/моль) равна: m = n × M; mpure (Zn) = n (Zn) × M (Zn); mpure (Zn)= 0,25 × 65 = 16,25 г. |
| Ответ | Масса цинка равна 16,25 г |
